К вопросу об обнаружении признаков жизни на экзопланетах

Популярный обзор возможных и невозможных признаков жизни представили Сара Сигер и Уильям Бейнс.

Планет в Млечном Пути очень много. Количество известных внесолнечных планет и неподтверждённых (пока) кандидатов измеряется тысячами. Полное же число планет в нашей Галактике едва ли не превышает количество звёзд. Существующие методики обнаружения экзопланет позволяют преимущественно обнаруживать планетные системы, не похожие на Солнечную. И то, что эти методики всё-таки оказываются успешными, свидетельствует, что Солнечная система не является типичной. Скорее, наоборот.

Открытие планетных систем, радикально отличающихся от Солнечной, стало мощным стимулом к развитию новых взглядов на рождение и эволюцию планетных семейств. Одновременно возник и вопрос о том, как именно можно было бы выделить из столь разнообразных планет те, на которых зародилась и развивается жизнь. Самая простая концепция в этом отношении — концепция зоны обитаемости — позволяет лишь выделить планеты с благоприятным для жизни температурным режимом. Однако она ничего не говорит о том, реализовался ли потенциал биологический планеты, попавшей в зону обитаемости.

Куда более внятным критерием был бы состав атмосферы, точнее, обнаружение в ней газов, происхождение которых может быть связано с жизнью. Исходным положением для этого критерия является представление о том, что некоторые газы, являющиеся побочным продуктом метаболизма живых существ, могут накапливаться в атмосфере в количествах, в принципе, обнаружимых методами спектроскопии.

Хотя за последние 20 лет наши возможности по исследованию состава экзопланетных атмосфер значительно выросли, они по-прежнему остаются весьма ограниченными. Первые работы в этой области позволяли не более чем примерно оценить температуру атмосферы и зафиксировать присутствие одного-двух атмосферных газов. Сейчас в распоряжении наблюдателей несколько различных методов, как правило, относящихся к транзитным планетам, то есть, планетам, затмевающим свои звёзды. В этих методах скрупулёзный анализ позволяет выделить в суммарном излучении звезды и планеты вклад планетной атмосферы, используя спектры, полученные в моменты затмений (первичных и вторичных). Если планета не является транзитной, выделить в суммарном спектре линии планеты можно по их доплеровскому смещению, возникающему из-за орбитального движения планеты. Если также несколько планет, далёких от родительской звезды, спектры которых удалось измерить непосредственно, не затрудняясь с вычитанием вклада звезды.

К сожалению, все этим методы в настоящее время применимы либо к планетам, близким к звезде, либо к планетам, которые сами по себе обладают высокой температурой (из-за молодости). Иными словами, мы умеем определять, главным образом, параметры атмосфер только у планет с весьма экстремальными условиями, заведомо непригодными для существования жизни. И даже в этом случае данные чаще всего имеют слишком низкое качество для детального анализа химического и физического состояния атмосферы.

Но допустим, что в будущем наши возможности расширятся (потенциал для этого есть). Что именно следует искать в экзопланетных атмосферах? Практически все попытки ответить на этот вопрос так или иначе связаны с земным опытом: «Мы знаем газы, которые аккумулируются земной жизнью. Что именно генерировала бы земная жизнь, будучи помещённой в несколько иные условия?» В этом контексте исследуются, очевидно, кислород, газы, содержание которых противоречит предположению о термодинамическом равновесии (например, необъяснимое сочетание метана и кислорода), метилгалогениды, соединения серы и некоторые другие газы.

«Каноническим» биологическим газом считается, безусловно, кислород. Химическая активность кислорода приводит к тому, что без постоянного возобновления он присутствовал бы в земной атмосфере в очень незначительном количестве, порядков на десять ниже, чем в реальности. Инопланетный наблюдатель, исследуя химический состав земной атмосферы, неминуемой пришёл бы к выводу о том, что в воздушной оболочке планеты происходят некие крайне экзотические химические процессы, не связанные с геологией.

Высокое содержание молекулярного кислорода в атмосфере Земли обеспечивается его производством в процессе фотосинтеза, а также тем, что часть углерода оказывается исключённой из атмосферного химического цикла в «биологических» горных породах. Детали этих процессов неизвестны. За последние полмиллиарда лет объёмное содержание кислорода в атмосфере варьировалось от 15% до 30% (сейчас 20%). На протяжении большей части истории Земли из оборота изымалось незначительное количество углерода, поэтому большая часть кислорода, синтезированного в результате фотосинтеза, снова превращалась в CO₂ в процессе разложения биоматериалов, и общее содержание кислорода в атмосфере оставалось невысоким.

Ситуация изменилась в конце Докембрия, когда из атмосферы стало удаляться значительно больше углерода, чем ранее. Возможно, свою роль здесь сыграло развитие наземных растений. Интересный вклад могло внести появление одного единственного фермента. Примерно 350-400 млн. лет назад на Земле появились деревья, в стволах которых содержится полимер лигнин. Именно он, точнее, его устойчивость к погоде и насекомым, позволил деревьям вырастать до больших размеров. Организмов, способных разлагать лигнин на Земле долгое время не было, поэтому древесные стволы просто уходили под землю, превращаясь в залежи каменного угля. Именно каменноугольный период был временем максимального содержания кислорода в атмосфере Земли. Но к концу этого периода в плесени появился фермент лигниназа, позволивший разлагать древесину с переходом кислорода в углекислый газ, и содержание O₂ в атмосфере упало с 30% до 15%.

Чувствительность содержания кислорода к незначительным изменениям в метаболизме (двукратное падение содержания из-за появления одного фермента) снижает его ценность в качестве биомаркера, но нужно также помнить и о том, что в некоторых обстоятельствах значительное содержание кислорода в атмосфере может возникать и небиологическим путём.

Важно понимать, что в случае Земли аргумент о термодинамически неравновесном химическом составе атмосферы сводится к отсутствию равновесия между кислородом и другими газами и потому, по сути, эквивалентен утверждению о большом количестве кислорода в атмосфере обитаемой планеты.

Хотя помимо кислорода земная жизнь производит сотни тысяч различных химических соединений, лишь немногие из них достаточно летучи, чтобы попадать в атмосферу, а из этих летучих лишь незначительная доля обладает характеристиками, необходимыми для спектроскопического обнаружения. При этом самый популярный биомаркер помимо кислорода — метан — может в изобилии генерироваться небиологическим путём, что доказывает пример Марса. Другие биомаркеры, более однозначно связываемые с жизнью, например, диметилсульфид, производятся живыми существами в крайне малых количествах.

Иными словами, создаётся впечатление, что единственным реальным биомаркером остаётся молекулярный кислород. Однако в этом выводе важную роль играет «земной шовинизм», конкретно, предположение о том, что экзопланетная жизнь химически весьма подобна земной. Однако на других планетах — с другими размерами, у других звёзд, с другим составом атмосферы, например. с атмосферами, богатыми водородом, — биохимия может быть организована иначе. Выход здесь состоит в том, чтобы не ограничиваться земными биохимическими процессами, а ориентироваться на более общие закономерности биохимии и в поисках биомаркеров опираться только на потребность жизни в накоплении и потреблении энергии. Только исходя из этого предположения и рассмотрев широчайший диапазон возможных условий на планетах, мы сможем определить, какие газы накапливаются в атмосферах обитаемых планет, очень непохожих на Землю.